Batterij (elektrisch)
Een batterij is een elektrotechnische component waarin elektrochemische energie is opgeslagen, die als elektrische energie - stroom - geleverd kan worden. Historisch wordt een aantal parallel of in serie geschakelde elektrochemische cellen, Leidse flessen of condensatoren een 'batterij' genoemd, in de volksmond heeft de enkele cel van de batterij de naam van het geheel overgenomen. Een auto-accu is een open, oplaadbare batterij, maar wordt in Nederland gewoonlijk geen "batterij" genoemd.
Het symbool voor een batterij in een elektrisch schema is als volgt:
Het + en - teken worden vaak weggelaten omdat men aan de grootte van de "platen" in de tekening kan zien welke zijde de + en welke de - is. Een ezelsbruggetje is dat voor het "+" teken twee keer zoveel streep nodig is als voor het "-" teken.
Inhoud |
[bewerk] Werking
Bij een batterij worden via een chemische reactie aan de min-pool elektronen vrijgemaakt, terwijl aan de plus-pool op hetzelfde moment via een andere chemische reactie elektronen worden gebonden. Via een op de batterij aangesloten component (bijvoorbeeld een lampje) kunnen nu de elektronen vanaf de min-pool, door het lampje, naar de plus-pool stromen.
Bij een oplaadbare batterij zijn de chemische processen omkeerbaar: door het aanleggen van een elektrische spanning kan men een elektronenstroom in omgekeerde richting forceren en zullen de chemische reacties dan omgekeerd verlopen: er wordt dus energie opgeslagen.
Een niet-oplaadbare batterij maakt gebruik van chemische processen die op deze manier niet omkeerbaar zijn, zodat een eenmaal ontladen batterij niet meer opnieuw opgeladen kan worden. Wel zijn er in het verleden niet onverdienstelijke pogingen tot herladen gedaan met bijzondere technieken.
Een batterij bestaat uit een of meer elektrochemische cellen. De cellen kunnen parallel of in serie geschakeld zijn, of een combinatie daarvan. Parallel geschakelde cellen leveren dezelfde elektrische spanning als een enkele cel, maar kunnen een grotere elektrische stroom leveren. In serie geschakelde cellen leveren een hogere spanning, maar kunnen dezelfde stroom leveren als een enkele cel. Veel in de praktijk gebruikte batterijen, zoals de 9-volt batterij in consumentenelektronica en de 12-volt accu in auto's bestaan uit in serie geschakelde cellen. Zowel bij de serieschakeling als bij de parallelschakeling is de opgeslagen energie in de batterij gelijk aan de som van de opgeslagen energie in de afzonderlijke cellen. Een batterij waarvan de reagerende bestanddelen tijdens de werking nog kunnen worden aangevoerd heet een brandstofcel, zie aldaar.
De spanning aan de klemmen van een batterij is afhankelijk van de ladingstoestand, de inwendige weerstand en de belasting van de batterij. Bij belasting heeft een batterij een lagere spanning dan onbelast doordat de geleverde stroom een spanningsval veroorzaakt over de inwendige weerstand. De inwendige weerstand kan veranderen door ontlading en veroudering van de batterij.
[bewerk] Historie
[bewerk] De bakermat
De term 'batterij' werd voor het eerst gebruikt door Benjamin Franklin in 1748 als aanduiding voor een rij elektrisch geladen glasplaten. Het woord battery betekent in het Engels een klap en dat is hoe een elektrische schok van het apparaat aanvoelde. In die tijd had een batterij vooral amusementswaarde en geen of nauwelijks praktische toepassingen. Andere onderzoekers maakten batterijen van parallel geschakelde Leidse flessen. Er werd veel onderzoek gedaan naar de geneeskrachtige werking van elektriciteit, maar dat leverde weinig op. (De defibrillator werd pas in 1932 uitgevonden door William Bennett Kouwenhoven.)
In de periode 1780-1786 voerde Luigi Galvani zijn beroemde experimenten uit met spieren van kikkers, die samentrokken als hij er pennen van verschillende soorten metaal in stak. Zijn vriend Alessandro Volta, professor aan de universiteit van Pavia, bouwde op zijn experimenten voort en stelde vast dat een combinatie van twee metalen elektriciteit kon produceren ook zonder spierweefsel erbij te betrekken. Oorspronkelijk gebruikte Volta een reeks schalen met zoutoplossing, die hij met elkaar verbond door een metalen boogje, dat aan de ene kant bestond uit koper en aan de andere kant uit zink of tin. Later gebruikte hij een kolom van afwisselend koperen en zinken schijfjes, gescheiden door vilt dat in een zoutoplossing was gedrenkt, de zogenaamde Zuil van Volta. In 1800 maakte hij zijn uitvinding bekend. Deze kreeg toen ook de naam batterij.
[bewerk] Naar krachtiger en praktischer batterijen
In 1836 vond de Engelsman John Daniell de Daniell cel uit. Dit type batterij gebruikte twee elektrolyten, kopersulfaat en zinksulfaat, en was veiliger in gebruik dan de zuil van Volta.
De eerste praktisch toepasbare herlaadbare accu op basis van lood en zuur werd in 1859 ontwikkeld door de Franse uitvinder Gaston Planté. Dit principe wordt nog steeds gebruikt in auto-accu's.
In 1866 patenteerde de Fransman George Leclanche de natte koolstof-zinkbatterij. Deze bestond uit een koolstofstaaf, ingebed in mangaandioxide, gemengd met koolstofpoeder en gedrenkt in een ammoniumchloride-oplossing. Leclanche's batterij vond snel ingang in de telegrafie. In 1881 vond Carl Gassner de eerste commercieel succesvolle droge cel uit - een zink-koolstofcel. Batterijen op basis van zink en koolstof worden nog steeds gebruikt, hoewel zij tegenwoordig grotendeels vervangen zijn door alkalinebatterijen, die meer energie kunnen leveren.
In 1899 vond Waldemar Junger de eerste herlaadbare nikkel-cadmiumbatterij uit, waar hij in 1901 patent op kreeg. In 1901 kreeg Thomas Edison eveneens patent op een nikkel-ijzerbatterij.
In de Tweede Wereldoorlog ontwikkelden Amerikaanse onderzoekers een krachtiger batterij op basis van bruinsteen en zink met een alkalische elektrolyt. Dit leidde rond 1950 tot de introductie van kleine alkalinebatterijen voor algemeen gebruik.
[bewerk] Gangbare soorten batterijen
Batterijen kunnen worden onderverdeeld in oplaadbare en niet-oplaadbare batterijen. De eerste categorie wordt ook wel accu, de laatste ook wel wegwerpbatterij genoemd. Beide typen worden veel gebruikt.
[bewerk] Wegwerpbatterijen
Een wegwerpbatterij is bedoeld om eenmalig gebruikt te worden tot de erin opgeslagen elektrochemische energie is verbruikt. Dergelijke batterijen worden met name gebruikt in kleine draagbare apparaten die weinig energie verbruiken (bijvoorbeeld: afstandsbedieningen, horloges). Wegwerpbatterijen kunnen niet worden opgeladen. Dit toch proberen is zelfs gevaarlijk, aangezien er een chemische reactie kan optreden waardoor de batterij kan ontploffen.
Wegwerpbatterijen zijn er in de volgende soorten:
| Type | Kathode | Anode | Opmerking | Toepassingsvoorbeeld | Energie- dichtheid | Vermogens- dichtheid |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Zinkkoolstof | bruinsteenmassa | zinkbeker | Elektrolyt: salmiakzout of zinkchloride | zaklamp, klok | ||
| Alkaline | bruinsteenmassa | zinkpoederpasta | hogere energieopbrengst | discman, afstandsbediening | 2 GJ/m3 | |
| Zink-lucht | lucht | zinkpoederpasta | milieuvriendelijk alternatief voor kwikbatterij | knoopcellen voor gehoorapparaten | ||
| Zilveroxide | zilveroxide | zinkpoederpasta | zeer kleine knoopcellen | horloge | ||
| Lithium-mangaanoxide | mangaandioxide | lithiumfolie | zeer hoge energiedichtheid | camera's, mobiele telefoons | 4 GJ/m3 |
[bewerk] Oplaadbare batterijen
Zie Oplaadbare batterij voor het hoofdartikel over dit onderwerp.Oplaadbare batterijen (eigenlijk: accu) worden vele malen hergebruikt. Ze kunnen worden opgeladen door er een externe stroombron op aan te sluiten, waardoor de chemische processen in de batterij zich in omgekeerde richting voltrekken. De externe stroombron wordt batterijlader of kortweg lader genoemd.
[bewerk] Modellen
De afmetingen en elektrische eigenschappen van batterijen zijn gestandaardiseerd, zodat dezelfde batterij in verschillende apparaten kan worden gebruikt. Enkele veelgebruikte soorten batterijen zijn:
| code | code | code | bijnaam | afmeting | spanning |
|---|---|---|---|---|---|
| N | LR1 | cilinder L 30.2 mm, D 12 mm | 1.5 V | ||
| AAAA | cilinder L 42 mm, D 8 mm | 1.5 V | |||
| AAA | R03 | LR03,MN2400,AM4,UM4,HP16 | micro, potlood, lady, minipenlite | cilinder L 44.5 mm, D 10.5 mm | 1.5 V |
| AA | R6 | LR6,MN1500,AM3,UM3,HP7 | mignon, penlite | cilinder L 50 mm, D 14.2 mm | 1.5 V |
| C | R14 | LR14,UM2,MN1400,HP11 | Engelse staaf, baby | cilinder L 43 mm, D 23 mm | 1.5 V |
| D | R20 | LR20,MN1300,UM1,HP2 | monocel | cilinder L 58 mm, D 33 mm | 1.5 V |
| 3R12 | 3R12U, 3R12, 3LR12 | plat 62x22x67mm | 4,5 V | ||
| PP3 | 6F22 | 6R61,MN1604 | negenvoltblokje | rechthoekig 48 mm x 25 mm x 15mm | 9 V |
De betreffende Europese standaard is IEC 60086-1 Primary batteries - Part 1: General (BS397 in het Verenigd Koninkrijk). De betreffende Amerikaanse standaard is ANSI C18.1 American National Standard for Dry Cells and Batteries-Specifications.
[bewerk] Milieu
De zware metalen kwik en cadmium, die in batterijen worden gebruikt, zijn schadelijk voor het milieu. Daarom moeten lege batterijen, en met name cadmium- en kwikbatterijen, niet bij het gewone afval worden gegooid, maar ingeleverd als klein chemisch afval of bij een inzamelpunt voor lege batterijen.
Op basis van de Europese richtlijn van 1991 (911157/EEG), mochten batterijen al niet meer dan 5 gewichtsprocenten kwik bevatten - met uitzondering van knoopcellen. Sinds die tijd zijn alternatieven als lithium-batterijen en zink-lucht knoopcellen beschikbaar gekomen. Daarom mogen van de Europese richtlijn in 1998 (981101/EG) knoopcellen nog maar 2 gewichtsprocenten kwik bevatten. Andere batterijen mogen helemaal geen kwik (minder dan 0,0005 gew.%) meer bevatten. Nikkel-Cadmium batterijen zijn sinds kort niet meer in gebruik.
Producenten zijn verplicht te zorgen voor de inzameling van lege batterijen. Daartoe is in Nederland de Stibat en in België Bebat opgericht.
[bewerk] Trivia
- Het is mogelijk om van een citroen of appel en twee geleidende pinnen een zwakke batterij te maken, waarop bijvoorbeeld een LCD-klokje kan werken. Hiertoe dienen de beide pinnen van verschillende metalen te zijn vervaardigd.
- Jaarlijks worden in Nederland 220 miljoen batterijen verkocht (2002). Volgens een schatting van de Stichting Batterijen liggen er in Nederland ruim 85 miljoen lege batterijen in laadjes, doosjes en kasten.
- Om te bepalen hoever de batterij leeg is, is het niet voldoende om te meten welke spanning de batterij nog afgeeft. Als een batterij lang niet gebruikt wordt, kan er namelijk kristalvorming in de batterij optreden, waardoor de inwendige weerstand toeneemt. Daardoor geeft de batterij nog wel de volle spanning, maar kan nauwelijks nog stroom leveren. Goede batterijtesters meten daarom de batterijspanning onder belasting.
